朔黃鐵路LTE配套傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探討

曹彥平

朔黃鐵路采用先進(jìn)的LTE技術(shù)建設(shè)寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)重載鐵路使用LTE技術(shù)的先河。而LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)需要高質(zhì)量的傳輸網(wǎng)絡(luò)，其高可靠、高安全、易擴(kuò)展性能是整個(gè)通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

1 傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求

1.高質(zhì)量承載LTE網(wǎng)絡(luò)。傳輸網(wǎng)絡(luò)需要承載LTE業(yè)務(wù)，即負(fù)責(zé)LTE系統(tǒng)的eNodeB與核心網(wǎng)EPC間的通信，將BBU處的業(yè)務(wù)匯聚到LTE核心網(wǎng)。LTE無(wú)線接入采用負(fù)載分擔(dān)、共站址A、B網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，在同一站址設(shè)置2套獨(dú)立基站，分別接入不同核心網(wǎng)EPC。為保證LTE業(yè)務(wù)的安全可靠，傳輸網(wǎng)絡(luò)需要分別承載A、B網(wǎng)的業(yè)務(wù)。LTE業(yè)務(wù)中包括像機(jī)車無(wú)線重聯(lián)、可控列尾業(yè)務(wù)等實(shí)時(shí)安全數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)，因此傳輸網(wǎng)絡(luò)需要具備低時(shí)延、高安全的傳輸性能，還需要具備全方位的保護(hù)能力，無(wú)論是鏈路故障、硬件故障、軟件故障，網(wǎng)絡(luò)都能夠?qū)崟r(shí)觸發(fā)保護(hù)倒換，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和業(yè)務(wù)的生存性。

2.多業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入和承載。傳輸網(wǎng)絡(luò)除了承載LTE業(yè)務(wù)，還要承載電力SCADA、電源及環(huán)境監(jiān)控等業(yè)務(wù)，并預(yù)留防災(zāi)、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型，傳輸設(shè)備需要提供STM-1/4/16，E1，F(xiàn)E，GE等不同類型的接口，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入和統(tǒng)一承載。

3.網(wǎng)絡(luò)易于管理和運(yùn)維。全網(wǎng)由數(shù)十個(gè)站點(diǎn)組成，運(yùn)維人員能夠通過(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)統(tǒng)一管理各站點(diǎn)。運(yùn)維人員應(yīng)能通過(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)提供的視圖查看業(yè)務(wù)配置情況，選中任何一條業(yè)務(wù)即可逐級(jí)展開(kāi)，查看各節(jié)點(diǎn)的交叉配置情況，通過(guò)信號(hào)流圖界面可以看到任何一條業(yè)務(wù)所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)、單板以及端口的信息，還可以創(chuàng)建或刪除光纖連接、配置單板、查詢告警統(tǒng)計(jì)信息等。

4.設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。惡劣、多變的地理和氣象條件對(duì)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性提出了較高要求，設(shè)備必須能在極端的環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

5.適應(yīng)未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。朔黃鐵路運(yùn)力的不斷增強(qiáng)，對(duì)傳輸系統(tǒng)容量的要求也會(huì)相應(yīng)提高。系統(tǒng)擴(kuò)容應(yīng)不需要更換已有的設(shè)備，只需在設(shè)備上增加或替換單板、升級(jí)軟件即可。另外，系統(tǒng)擴(kuò)容需在不中斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行，避免因擴(kuò)容導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)短時(shí)不可用而造成的經(jīng)濟(jì)損失。隨著視頻監(jiān)控、會(huì)議電視等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入和發(fā)展，會(huì)對(duì)傳輸系統(tǒng)提出更高的帶寬需求。對(duì)于此類帶寬需求大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，應(yīng)能采用分組平面承載，以便對(duì)其進(jìn)行靈活的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)帶寬收斂，提升承載效率。

6.提供IEEE 1588v2時(shí)間同步。LTE系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步的精度要求較高，只有GPS和1588v2能夠滿足要求。與GPS相比，全網(wǎng)采用1588v2技術(shù)可以使投資更低，并可作為GPS失效時(shí)的同步保護(hù)方案。傳輸設(shè)備應(yīng)能夠提供IEEE 1588v2時(shí)間同步技術(shù)，將時(shí)間信息在網(wǎng)絡(luò)中層層傳遞，最終傳遞到LTE無(wú)線基站等需要精確時(shí)間的設(shè)備，滿足LTE系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步的高精度要求。

2 承載平臺(tái)MSTP

2.1 技術(shù)選型

朔黃LTE-R試驗(yàn)段之初，為確保LTE業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)端到端穩(wěn)定傳送，就當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流技術(shù)MSTP及運(yùn)營(yíng)商近年部署的分組傳送網(wǎng)PTN、IP RAN技術(shù)進(jìn)行技術(shù)論證。由于在承載重要列控信號(hào)方面，PTN與IP RAN都沒(méi)有類似的業(yè)績(jī)案例，而且IP RAN技術(shù)商用時(shí)間較短，故主要對(duì)MSTP與PTN 2種技術(shù)進(jìn)行比選，以適合朔黃鐵路LTE業(yè)務(wù)承載。

MSTP技術(shù)誕生得比PTN早，在對(duì)IP業(yè)務(wù)承載方面，PTN的統(tǒng)計(jì)復(fù)用能夠提高傳輸承載能力。從組網(wǎng)技術(shù)到現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用而言，MSTP與PTN在運(yùn)營(yíng)商的應(yīng)用比較廣泛，PTN在統(tǒng)計(jì)復(fù)用方面的能力使網(wǎng)絡(luò)具有較高的收斂比，提升了整體能力。本次朔黃引入LTE無(wú)線新技術(shù)，對(duì)配套傳輸方案做了專題論證，經(jīng)全面考慮朔黃鐵路LTE配套傳輸網(wǎng)絡(luò)選擇基于MSTP技術(shù)進(jìn)行建設(shè)。

多業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)MSTP(Multi-Service Transfer Platform)，在SDH的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，并能夠提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。MSTP是面向連接的，采用電路時(shí)隙交換技術(shù)，業(yè)務(wù)之間相互物理隔離，能夠保證傳統(tǒng)SDH/PDH業(yè)務(wù)的安全可靠傳輸，也能保證IP業(yè)務(wù)的高質(zhì)量傳輸。

MSTP技術(shù)體系支持 G.703，G.707，G.831，G.813等ITU-T相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支持鏈形、環(huán)形、星形等多種組網(wǎng)模式，可采用子網(wǎng)連接保護(hù) (SNCP)、復(fù)用段保護(hù) (MSP)等多種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式。

基于傳統(tǒng)SDH/MSTP/OTN/WDM技術(shù)的市場(chǎng)仍然在增長(zhǎng)，但隨著分組技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，分組PTN技術(shù)承載專線方案的可行性也在增加。

2.2 專線網(wǎng)絡(luò)

由于朔黃LTE項(xiàng)目承載鐵路電力SCADA等重要列控業(yè)務(wù)，關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的安全性和保護(hù)可靠性，并不是收斂比，類似于運(yùn)營(yíng)商提供的重要大客戶專線業(yè)務(wù)。對(duì)此，針對(duì)類似的專線模型展開(kāi)調(diào)研論證。常見(jiàn)的專線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可進(jìn)一步細(xì)分為硬管道、彈性管道和非管道。

朔黃鐵路是一條重載鐵路，LTE-R系統(tǒng)作為本條鐵路運(yùn)行業(yè)務(wù)的綜合通信平臺(tái)，需滿足包括多機(jī)車同步操控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)、可控列尾業(yè)務(wù)、語(yǔ)音調(diào)度業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控等四大類業(yè)務(wù)的傳輸需求。這四類都是帶寬專用、對(duì)鏈路要求物理隔離的業(yè)務(wù)，對(duì)系統(tǒng)提出2方面要求:①對(duì)安全業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性、可靠性負(fù)責(zé);②滿足重載鐵路多業(yè)務(wù)車-地通信承載需求。

物理隔離、高可靠性、完善的保護(hù)機(jī)制使得硬管道專線成為鐵路行業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最優(yōu)選擇。朔黃鐵路行業(yè)的實(shí)際建網(wǎng)需要對(duì)所有部件進(jìn)行冗余，包括接口、設(shè)備、控制系統(tǒng)，不同系統(tǒng)的專線必須專用，避免鐵路運(yùn)營(yíng)中各個(gè)系統(tǒng)的相互影響，最大程度地保證安全性。當(dāng)前只有基于SDH硬管道設(shè)備才能提供完善的設(shè)備級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)保護(hù)，不同業(yè)務(wù)間做到嚴(yán)格的物理隔離，而且保護(hù)倒換時(shí)間均小于50 ms。而基于IP/MPLS的彈性管道網(wǎng)絡(luò)缺乏完善的保護(hù)機(jī)制，只能提供邏輯隔離，支持200 ms的快速重路由能力，很難達(dá)到50 ms。

3 時(shí)間同步

LTE存在FDD LTE和TDD LTE(即TD-LTE)2種制式，F(xiàn)DD需要使用上下行對(duì)稱頻率，頻率之間需要“間隔”保護(hù)。TDD發(fā)送和接收信號(hào)在同一頻率信道的不同時(shí)隙中進(jìn)行，不需要對(duì)稱的頻率，在進(jìn)行不對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可充分利用有限的頻譜資源，因此TDD存在不對(duì)稱組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

TD-LTE為中國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LTE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，受到工信部在內(nèi)的國(guó)家通信主管部門的大力扶持。在該背景下，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均在積極投入TD-LTE技術(shù)的研發(fā)。截至目前，國(guó)內(nèi)各行業(yè) (電力、民航、能源、交通等)均選用了TD-LTE作為其無(wú)線移動(dòng)業(yè)務(wù)的承載平臺(tái)。朔黃鐵路選擇了TD-LTE，這個(gè)選擇帶來(lái)以往鐵路GSM-R技術(shù)不一樣的挑戰(zhàn)，就是更高的時(shí)鐘精度要求。

3.1 時(shí)鐘同步要求

以GSM/WCDMA為代表的歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用的是FDD制式，只需要頻率同步，精度要求0.05 ppm(或者 50ppb)。而以 TD-SCDMA/CDMA2000/LTE為代表的TDD制式，需要頻率同步和時(shí)間同步。無(wú)線基站之間在軟切換時(shí)，如果基站管理器(RNC)和基站 (NodeB)沒(méi)有時(shí)間同步，可能導(dǎo)致在選擇器中發(fā)生指令不匹配，從而使通話連接不能建立起來(lái)。時(shí)間和頻率的偏差還會(huì)影響移動(dòng)臺(tái)在基站間切換的成功率。因此，時(shí)間同步是LTE通信網(wǎng)絡(luò)必然的選擇。

3.2 選擇IEEE1588V2協(xié)議

IEEE 1588V2是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議，用于精確同步分布式網(wǎng)絡(luò)通信中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。其基本構(gòu)思為通過(guò)硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (客戶機(jī))的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。1588V2最初應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，提高儀器和測(cè)量的準(zhǔn)確度。后被引入網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，用于滿足LTE等通信設(shè)備間高精度的時(shí)間同步需求。

傳統(tǒng)的時(shí)間同步鏈路采用NTP傳送方式實(shí)現(xiàn)，該協(xié)議的最大缺點(diǎn)是只能滿足ms級(jí)別的時(shí)間傳遞精度，這對(duì)于無(wú)線時(shí)間同步基站所需的μs級(jí)時(shí)間精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而在基站側(cè)，目前采用GPS解決頻率和時(shí)間同步問(wèn)題。但是采用GPS進(jìn)行時(shí)間同步在朔黃鐵路工程中存在諸多問(wèn)題:安裝選址難;維護(hù)困難，GPS系統(tǒng)故障率高，超過(guò)了1%，出現(xiàn)故障時(shí)需要上站維護(hù);饋線鋪設(shè)困難，饋線較長(zhǎng)時(shí)需要加裝放大器并考慮饋電;安全隱患高，這種方法依賴于美國(guó)GPS系統(tǒng)，緊急情況下整網(wǎng)可能因失步而癱瘓，且GPS系統(tǒng)目前存在失效的可能;成本高，每一個(gè)LTE基站均需要配置一套GPS系統(tǒng)，安裝、維護(hù)成本更高。針對(duì)無(wú)線時(shí)間同步基站高精度時(shí)間的需求以及現(xiàn)有GPS解決方案的種種弊端，朔黃鐵路需要有一種高精度的地面?zhèn)魉蜁r(shí)間同步方案。

典型的1588v2同步傳送方案中時(shí)間源通過(guò)GPS/北斗/GLONASS等多種方式注入，承載設(shè)備通過(guò)1588v2協(xié)議傳送時(shí)間信息，基站可通過(guò)1588v2或1pps+TOD接口從承載設(shè)備獲取時(shí)間信息，達(dá)到與時(shí)間源同步，精度可達(dá)到ns級(jí)，完全能夠滿足LTE無(wú)線基站的要求。1588V2通過(guò)記錄主從設(shè)備之間事件報(bào)文交換時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳，計(jì)算出主從設(shè)備之間的平均路徑延遲和時(shí)間偏差，實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的時(shí)間同步。

基于1588V2精確時(shí)間傳送協(xié)議的優(yōu)點(diǎn):空間本地化，應(yīng)用于支持多播消息的局域網(wǎng) (包括但不限于以太網(wǎng))通信;高同步精度，ns級(jí)別;免管理;協(xié)議完善的狀態(tài)機(jī)和管理消息，減少人工干預(yù);低成本，網(wǎng)絡(luò)資源和處理器計(jì)算資源需求最小，可實(shí)現(xiàn)低成本應(yīng)用，符合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型趨勢(shì)IP網(wǎng)絡(luò)-承載未來(lái)的融合網(wǎng)絡(luò)。

4 傳輸承載模型

針對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，以及對(duì)傳輸容量的估計(jì)，朔黃鐵路采用MSTP技術(shù)構(gòu)建LTE配套傳輸承載網(wǎng)絡(luò)。鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)采用TD-LTE建設(shè)，并且設(shè)計(jì)成網(wǎng)絡(luò)冗余組網(wǎng)方式。

與LTE配套的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用骨干匯聚層和接入層二層結(jié)構(gòu)，傳輸網(wǎng)絡(luò)全程采用1588V2，保證LTE同步信息的可靠傳輸。在沿線車站及車站之間的BBU節(jié)點(diǎn)處分別設(shè)置STM-16 MSTP設(shè)備，將車站BBU和區(qū)間BBU連接成2個(gè)2.5 Gb/s的二纖環(huán)，分別承載LTE A、B網(wǎng)業(yè)務(wù)，并通過(guò)車站BBU處的STM-16 MSTP設(shè)備將業(yè)務(wù)匯聚到車站STM-64 MSTP設(shè)備，最終傳送至中心機(jī)房。2.5Gb/s環(huán)采用SNCP的保護(hù)方式，并預(yù)留升級(jí)為10 Gb/s的條件。在區(qū)間RRU處分別設(shè)置STM-1 MSTP設(shè)備，將BBU節(jié)點(diǎn)與其歸屬的區(qū)間RRU節(jié)點(diǎn)間組成容量為155 Mb/s的二纖環(huán)，采用SNCP的保護(hù)方式，并預(yù)留升級(jí)為622 Mb/s的條件。

該組網(wǎng)方案既能夠滿足LTE鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)現(xiàn)在及預(yù)留業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨螅植幻つ孔非蟪咭?guī)格而導(dǎo)致投資浪費(fèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

朔黃鐵路LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外首次將4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于重載鐵路行業(yè)的重大技術(shù)創(chuàng)新;在傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)選擇上尤為慎重，需要一個(gè)穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)，為L(zhǎng)TE業(yè)務(wù)的傳送保駕護(hù)航。LTE網(wǎng)絡(luò)和MSTP網(wǎng)絡(luò)相輔相成，共同構(gòu)建安全、可靠、穩(wěn)定、永續(xù)的鐵路通信系統(tǒng)，助力朔黃鐵路運(yùn)力的提升，為實(shí)現(xiàn)朔黃鐵路“綠色、高效、數(shù)字化”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

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